JP2010053811A - 排気ガス熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 組織の肥大化を抑制して強度、靭性を十分に確保できるフェライト系ステンレス鋼製の排気ガス熱交換器を提供すること。
【解決手段】 排気ガス熱交換器Ｎはアウターケース形成部材１１，１２と伝熱管群ＤＧとから形成される。そして、形成部材１１，１２と伝熱管群ＤＧを、モリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）とを含有していてモリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）とを合計した重量比が２．３ｗｔ％〜４．０ｗｔ％であるフェライト系ステンレス鋼製とした。これにより、高温雰囲気中における結晶粒の成長を抑制して組織の肥大化を防止することができ、フェライト系ステンレス鋼自体の強度および靭性の低下を抑制することができる。その結果、この熱交換器Ｎを車両のエンジンに組み付けて使用しても熱交換器Ｎの強度低下を適切に抑制することができ、良好な熱交換性能を長期間に渡り維持することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の伝熱管内を流通する第１の流体とこれらの伝熱管を収容するとともに第２の流体を流通する外管とを備えて第１の流体と第２の流体間で熱交換する熱交換器、特に、自動車の内燃機関における排気ガスを冷却水により冷却する排気ガス熱交換器に関する。

近年、この種の熱交換器の開発は盛んに行われている。一般に、熱交換器に要求される性能として、熱交換性能はいうまでもなく、高温での使用に耐え得る耐酸化性が求められている。特に、耐酸化性を確保するために、従来から、熱交換器を構成する部材として、オーステナイト系ステンレス鋼が広く採用されている。しかし、オーステナイト系ステンレス鋼は、酸化に伴うスケール剥離による板厚の減少が大きいため、使用環境によっては熱交換性能を長期に渡って維持することが難しい場合がある。

このようなオーステナイト系ステンレス鋼を採用した場合の問題を解決するものとして、熱交換器を構成する部材にフェライト系ステンレス鋼を採用することが検討されており、例えば、下記特許文献１にには、熱交換器用フェライト系ステンレス鋼が示されている。この熱交換器用フェライト系ステンレス鋼では、ステンレス鋼の成分組成を適宜調製することにより、熱交換器用材料として使用環境下における十分な耐酸化性および高温強度を有することができるようになっている。
特許第２６４２０５６号公報

ところで、排気ガス熱交換器においては、第１の流体としての高温ガスと第２の流体としての冷却水とが混流しないように、十分な気密性を確保した状態で複数の伝熱管を外管に組み付けることによって製造される。例えば、まず、各伝熱管に対してロウ材を塗布し、この仮組み付けされたものを外管内に挿入するとともにロウ材を塗布した後、ロウ付けすることによって、気密性を確保した排気ガス熱交換器が製造される。

ここで、フェライト系ステンレス鋼においては、一般的に、ロウ付け温度（例えば、１１００℃程度）に維持されると、高温雰囲気によって結晶粒が成長して組織が肥大化する。そして、この組織の肥大化は、高温におけるフェライト系ステンレス鋼自体の機械的な強度の低下や靭性の低下に大きく影響する。このため、特に、車両に搭載された場合にはエンジン等の振動、熱、圧力等により、良好な熱交換性能を長期間に渡り、維持できなくなることが懸念される。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、組織の肥大化を抑制して強度を十分に確保できるフェライト系ステンレス鋼製の排気ガス熱交換器を提供することにある。

本発明の特徴は、第１の流体を流通させる管体からなる複数の伝熱管と、同複数の伝熱管を収容するとともに第２の流体を流通させる外管とを備えた排気ガス熱交換器において、前記伝熱管および外管を形成する部材を、モリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）とを含有するフェライト系ステンレス鋼であって、前記モリブデン（Ｍｏ）の重量比と前記ニオブ（Ｎｂ）の重量比とを合計した重量比が２．３ｗｔ％〜４．０ｗｔ％であるフェライト系ステンレス鋼製とすることにある。この場合、前記フェライト系ステンレス鋼に含有されるモリブデン（Ｍｏ）の重量比が１．８ｗｔ％〜３．０ｗｔ％であるとよい。

これらによれば、フェライト系ステンレス鋼に含有されるモリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）との重量比を最適化することにより、高温雰囲気中における結晶粒の成長を抑制して組織の肥大化を防止することができ、フェライト系ステンレス鋼自体の強度の低下および靭性の低下を抑制することができる。その結果、熱交換器をフェライト系ステンレス鋼から形成して車両のエンジンに組み付けて使用しても、熱交換器の強度低下を適切に抑制することができて、良好な熱交換性能を長期間に渡り維持することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。図１は、車両に搭載される排気ガス熱交換器Ｎの外観形状を概略的に示している。この排気ガス熱交換器Ｎは、車両のＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)システムに採用されて、エンジンの排気マニホールドから高温の排気ガスの一部を導入して所定の温度まで冷却し、この冷却した排気ガス（所謂、ＥＧＲガス）を、図示しないＥＧＲ弁を介して吸気マニホールドに導出するものである。なお、排気ガス熱交換器Ｎには、排気マニホールドと吸気マニホールドに接続するためのフランジが組み付けられている。

排気ガス熱交換器Ｎは、第１の流体としての高温、高速の排気ガスを導入するための導入部Ｎ１と、第２の流体としての冷却水を流通することにより導入した排気ガスを冷却する本体部Ｎ２と、冷却した排気ガスを導出する導出部Ｎ３とを備えている。また、排気ガス熱交換器Ｎは、本体部Ｎ２内に冷却水を流入するための流入管Ｎ４と、本体部Ｎ２内を流通した冷却水を流出させるための流出管Ｎ５とを備えている。そして、このように構成される排気ガス熱交換器Ｎは、図２に示すように、上述した各部Ｎ１〜Ｎ３を形成する外管としてのアウターケース１０と、アウターケース内（より詳しくは、アウターケース１０により形成される本体部Ｎ２内）に収容される伝熱管群ＤＧとから構成される。

アウターケース１０は、図２に示すように、上下一対のアウターケース形成部材１１，１２から形成されるものである。伝熱管群ＤＧは、図２に示すように、複数（例えば、図２においては７つ）の伝熱管２０から構成されるものである。そして、これらアウターケース１０と伝熱管群ＤＧとは、ロウ付け工法によって一体的に組み付けられて、気密性を確保した排気ガス熱交換器Ｎを構成する。

以下、簡単に排気ガス熱交換器Ｎの製造について説明しておくと、まず、所定位置にロウ材を塗布した伝熱管２０を所定数だけ（本実施形態においては７つ）積層して伝熱管群ＤＧを仮組み付けする。次に、ロウ材の塗布された流入管Ｎ４および流出管Ｎ５が嵌合されたアウターケース形成部材１１，１２に対して仮組み付けされた伝熱管群ＤＧを収容し、アウターケース形成部材１１，１２を互いに嵌合させた後、嵌合部分にロウ材を塗布して仮組み付けする。

そして、このように仮組み付けされて製品形状まで組み立てられた排気ガス熱交換器Ｎは、所定の温度（例えば、１１００℃程度）に設定された還元雰囲気の炉中にて、所定の時間だけ放置される。これにより、上述したように、各構成部品に塗布されたロウ材が溶融する。そして、高温雰囲気中に放置された熱交換器Ｎを冷却することによってロウ材が固化してロウ付けが完了する。これにより、気密性を十分に確保した排気ガス熱交換器Ｎを製造することができる。

ところで、このように、ロウ付け工程を経て製造される排気ガス熱交換器Ｎは、ロウ付けに伴う高温雰囲気中に所定の時間だけ放置される。この場合、排気ガス熱交換器Ｎを構成する部材、すなわち、アウターケース１０および伝熱管群ＤＧをフェライト系ステンレス鋼から形成すると、高温雰囲気中に所定の時間だけ放置されることによって、フェライト系ステンレス鋼の組織が肥大化する。そして、この組織の肥大化はフェライト系ステンレス鋼の強度の低下および靭性の低下を招く。

この点に関し、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、フェライト系ステンレス鋼組織の肥大化の抑制、言い換えれば、高温強度低下の抑制に有効な添加元素としてモリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）に着目し、組織の肥大化を抑制して必要な高温強度を確保できるモリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）との最適な重量比を見出した。以下、このモリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）との重量比について具体的に説明する。

モリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）は、フェライト系ステンレス鋼に添加されると、高温強度を向上させる効果がある。一般的に、材料強度に関しては、結晶粒の大きさが密接に関係している。このため、本発明者は、フェライト系ステンレス鋼に添加するモリブデン（Ｍｏ）の重量比とニオブ（Ｎｂ）の重量比とを合計した重量比を種々変更したサンプルを作製し、このサンプルをロウ付け条件に従って加熱したときの結晶粒の大きさを調査した。その結果、図３に示すように、モリブデン（Ｍｏ）の重量比とニオブ（Ｎｂ）の重量比とを合計した重量比が増加するに伴ってフェライト系ステンレス鋼の結晶粒は小さくなり、言い換えれば、高温雰囲気中に放置されることによる組織の肥大化が抑制されることが分かった。

そして、排気ガス熱交換器Ｎに要求される必要な高温強度に対応するフェライト系ステンレス鋼の結晶粒の大きさを約３００μｍとし、この結晶粒の大きさを維持できるモリブデン（Ｍｏ）の重量比とニオブ（Ｎｂ）の重量比とを合計した重量比を２．３ｗｔ％以上に設定した。ここで、これらモリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）は、重量比が増大するに伴ってフェライト系ステンレス鋼の機械的な強度を向上させることができるものの、添加しすぎると、成形加工性や靭性の悪化が懸念される。したがって、モリブデン（Ｍｏ）の重量比とニオブ（Ｎｂ）の重量比とを合計した重量比の上限を４．０ｗｔ％にした。

なお、モリブデン（Ｍｏ）は、フェライト系ステンレス鋼の高温強度を向上させる効果が大きく、また、フェライト系ステンレス鋼の耐食性を向上させる効果も有する。したがって、フェライト系ステンレス鋼にモリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）とを添加する場合には、モリブデン（Ｍｏ）の重量比が大きくなるようにするとよい。この点に関し、本発明者は、フェライト系ステンレス鋼に添加するモリブデン（Ｍｏ）の重量比を種々変更したサンプルを作製し、このサンプルをロウ付け条件に従って加熱したときの結晶粒の大きさを調査した。その結果、図４に示すように、モリブデン（Ｍｏ）の重量比が増加するに伴ってフェライト系ステンレス鋼の結晶粒は小さくなり、言い換えれば、高温雰囲気中に放置されることによる組織の肥大化が抑制されることが理解できる。

そして、上述したように、フェライト系ステンレス鋼の結晶粒の大きさを３００μｍ以下で維持させるために、モリブデン（Ｍｏ）の重量比を１．８ｗｔ％以上に設定した。また、成形加工性や靭性の悪化を考慮して、モリブデン（Ｍｏ）の重量比の上限を３．０ｗｔ％にした。

以上の説明からも理解できるように、フェライト系ステンレス鋼に含有されるモリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）との重量比を最適化することにより、高温雰囲気中における結晶粒の成長を抑制して組織の肥大化を防止することができ、フェライト系ステンレス鋼自体の強度の低下および靭性の低下を抑制することができる。その結果、排気ガス熱交換器Ｎをフェライト系ステンレス鋼から形成して車両のエンジンに組み付けて使用しても、排気ガス熱交換器Ｎの強度低下を適切に抑制することができて、良好な熱交換性能を長期間に渡り維持することができる。また、フェライト系ステンレス鋼に添加するモリブデン（Ｍｏ）の重量比とニオブ（Ｎｂ）の重量比との合計した重量比またはモリブデン（Ｍｏ）の重量比を調整することによって、図３，４に示したように、フェライト系ステンレス鋼の結晶粒の大きさを制御することができる。

なお、上記実施形態においては、車両に搭載される排気ガス熱交換器Ｎについて説明した。しかし、上述の通り、モリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）またはモリブデン（Ｍｏ）を所定の重量比だけ添加することによってロウ付けに伴うフェライト系ステンレス鋼の組織の肥大化を防止することができるため、他のフェライト系ステンレス鋼製のロウ付け製品についても同様の効果が得られることはいうまでもない。

本発明の対象とする排気ガス熱交換器の一例を示す外観概略図である。 図１に示した排気ガス熱交換器の構成を説明するための断面図である。 モリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）の合計した重量比を変化させたときのフェライト系ステンレス鋼の結晶粒の大きさの変化特性を示すグラフである。 モリブデン（Ｍｏ）の重量比を変化させたときのフェライト系ステンレス鋼の結晶粒の大きさの変化特性を示すグラフである。

符号の説明

１０…アウターケース、１１，１２…アウターケース形成部材、２０…伝熱管、Ｎ…排気ガス熱交換器、ＤＧ…伝熱管群

Claims (2)

1. 第１の流体を流通させる管体からなる複数の伝熱管と、同複数の伝熱管を収容するとともに第２の流体を流通させる外管とを備えた排気ガス熱交換器において、
   前記伝熱管および外管を形成する部材を、モリブデン（Ｍｏ）とニオブ（Ｎｂ）とを含有するフェライト系ステンレス鋼であって、前記モリブデン（Ｍｏ）の重量比と前記ニオブ（Ｎｂ）の重量比とを合計した重量比が２．３ｗｔ％〜４．０ｗｔ％であるフェライト系ステンレス鋼製とすることを特徴とする排気ガス熱交換器。
2. 請求項１に記載した排気ガス熱交換器において、
   前記フェライト系ステンレス鋼に含有されるモリブデン（Ｍｏ）の重量比が１．８ｗｔ％〜３．０ｗｔ％であることを特徴とする排気ガス熱交換器。

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